傳力洞截面對拱壩壩肩穩(wěn)定的影響

吳黨中，王茂榮(.浙江中水工程技術有限公司，浙江 杭州 3000；.浙江建設職業(yè)技術學院，浙江 杭州 33)

傳力洞截面對拱壩壩肩穩(wěn)定的影響

吳黨中1，王茂榮2
(1.浙江中水工程技術有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江建設職業(yè)技術學院，浙江 杭州 311231)

傳力洞對處理拱壩軟弱破碎帶基礎具有較好的效果，實際工程中應用很普遍.通過建立拱壩及其基礎的三維有限元模型，分析了不同半徑傳力洞對軟弱基礎中特定滑裂面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的影響，結果表明：傳力洞的設置對軟弱破碎帶內的特定滑裂面抗滑安全通常是有利的，但當傳力洞半徑設置不當時，有可能反而不利滑裂面的抗滑穩(wěn)定.

壩基處理；傳力洞；斷層破碎帶；有限元

對于合適的壩址條件，拱壩是一種既經(jīng)濟又安全的壩型.相對于同一壩址處相同高度的其它壩型，拱壩一般工程量較省，而超載能力更強.雖然拱壩對建壩基礎的要求較高，但綜合基礎處理后的工程造價，往往仍然低于其它壩型.目前，全世界200 m以上的大壩，有一半以上采用拱壩壩型[1].我國已經(jīng)建成的超高拱壩有拉西瓦(250 m)，錦屏一級(305 m)，構皮灘(225 m)，小灣(292 m)和溪洛渡(285.5 m)等.

根據(jù)拱壩的受力特點，拱壩的壩肩穩(wěn)定是拱壩設計成敗的關鍵，而壩肩巖體的完整性和堅固程度是影響壩肩穩(wěn)定的重要因素.完全符合設計要求的拱壩天然壩基在實際工程中很少出現(xiàn)，一般工程中均需對基礎進行相應的處理，以滿足大壩受力要求.對于拱壩壩肩基礎而言，有時會出現(xiàn)一定范圍的軟弱夾層或破碎帶，當通過表層處理(如灌漿、深挖回填)工程措施不能滿足要求或者代價太大時，采用設置傳力洞(有時也稱抗剪洞)穿過軟弱破碎帶的處理方式能夠很好地解決這一問題[2-3].實踐證明，傳力洞對增強拱壩壩肩穩(wěn)定是行之有效的拱壩基礎深部處理措施，正被應用于越來越多的工程之中[4-10].

傳力洞最佳直徑理論值[11]，在相關文獻中已有論述.然而在實際工程設計過程中，很多工程師通常以求穩(wěn)的心理，趨向設計盡可能大截面的傳力洞，認為這樣能獲得更大的壩肩穩(wěn)定安全系數(shù).在有些情況下，規(guī)模更大的傳力洞確實能夠帶來更大的壩肩穩(wěn)定安全系數(shù)，但也有一些工程，尤其是一些壩高較低的拱壩，截面大的傳力洞，對壩肩穩(wěn)定的增穩(wěn)效果，反而不如截面小的傳力洞.本文將通過建立三維有限元模型，分析不同截面?zhèn)髁Χ磳皦螇渭绶€(wěn)定的影響，以期對實際工程起參考作用.

1 計算模型與方法

1.1 計算模型

以下通過對一座38 m高的拱壩，以不同截面?zhèn)髁Χ刺幚砘A軟弱破碎帶后，對壩肩穩(wěn)定安全系數(shù)的變化情況分析，來討論傳力洞不同截面對特定壩肩滑裂面的抗滑穩(wěn)定影響.

壩址河谷深切呈略開張“V”形，河床寬度30 m，左右岸坡坡度1 ∶1.河段為正交谷，岸坡形態(tài)為平直型.拱壩建基面巖體大部分完整堅硬，在左岸離壩底15～25 m高程處存在一軟弱破碎帶夾層，軟弱夾層的深度為20 m.假設軟弱夾層內部存在一條可能影響壩肩穩(wěn)定的結構面，結構面傾角為豎直向下，走向與壩軸線成30°夾角.對該不良地質情況采取的處理措施是設置C15混凝土傳力洞加固.傳力洞的截面為圓形，其半徑分別采用1.0 m(最小施工洞徑)、1.5 m、2.0 m、2.5 m和3.0 m(接近該層拱壩的拱端厚度)，傳力洞水平布置，每種半徑的傳力洞布置方向均與特定滑裂面走向成80°的交角.

建基面巖體物理力學參數(shù)為：

(1)完整基巖之間抗剪摩擦系數(shù)f=1.0，滑裂面之間抗剪摩擦系數(shù)f=0.6.完整巖體的變形模量為10 GPa，泊松比為0.25；軟弱夾層的巖體的變形模量為1.0 GPa，泊松比為0.33.

(2)混凝土拱壩為混合線型雙曲變厚拱壩，最大壩高38 m，壩體材料為C15混凝土.拱壩拱冠梁處壩頂厚度3.0 m，壩底厚度8.24 m，厚高比0.22，壩頂中心線弧長110 m，弧高比2.88.壩體最大中心角69.17°.

(3)壩體材料彈模1.8×104N/mm2，泊桑比0.167，容重24 kN/m3，線膨脹系數(shù)1×10-5/℃，導溫系數(shù)3 m2/月.基巖變模為1.0×104N/mm2，泊桑比0.167.

(4)壩基的計算范圍為：基礎的深度為最大壩高的1倍，左右岸及拱壩上游基礎各延伸1倍最大壩高，下游基礎延伸2.5倍最大壩高.

(5)計算軟件采用ANSYS有限元計算分析軟件，有限元模型的整體坐標系定義如下：拱壩拱冠梁上游頂點為坐標原點，右岸為+X方向，+Y軸鉛直向下，Z軸指向下游.

(6)壩體采用8節(jié)點SOLID45單元模擬，一般巖體采用8節(jié)點SOLID65單元模擬，軟弱破碎帶范圍巖體及傳力洞采用20節(jié)點SOLID186單元模擬.

拱壩整體有限元模型及壩體模型(見圖1，圖2).

圖1 拱壩整體三維有限元模型

圖2 壩體(含傳力洞)三維有限元模型

1.2 計算方法

本文討論某個特定的傳力洞，其洞軸線方向一定，當傳力洞的截面尺寸發(fā)生變化時，其對特定滑裂面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的影響.為此需要假定各不同截面尺寸傳力洞，并分別計算各種不同截面?zhèn)髁Χ磁c無傳力洞作用時滑裂面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，比較各不同截面?zhèn)髁Χ刺幚砬昂蠡衙婵够€(wěn)定安全系數(shù)的變化情況.

在計算時假設滑裂面走向與壩軸線的夾角為30°，考慮到實際工程可能情況，將傳力洞的軸線方向與滑裂面走向布置成80°交角(見圖3)，分別分析有無設置傳力洞的情況下，拱壩壩肩穩(wěn)定安全系數(shù)變化情況.

圖3 傳力洞與滑裂面平面位置示意圖

根據(jù)《混凝土拱壩設計規(guī)范》(SL282—2003)，拱壩壩肩穩(wěn)定(點、面)安全系數(shù)的抗剪公式為：

(1)

(2)

式中：Kp—特定軟弱結構面上計算點的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，簡稱點安全系數(shù)；

Kf—沿特定軟弱結構面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，簡稱面安全系數(shù)；

fi—計算點處軟弱結構面的抗剪摩擦系數(shù)；

σi—計算點處軟弱結構面的法向壓應力；

τi—計算點處軟弱結構面的剪應力在滑動方向上的分量(即切向應力)；

Ai—計算點所代表的軟弱結構面的面積.

計算時取滑裂面的單位寬度.沿滑裂面走向將其均分為20小段，取每小段的首尾兩點作為應力計算點，共計21個應力計算點.每個應力計算點所代表的滑面范圍為與該點相連的兩小段滑面之和的一半.

通過有限元計算，可以得到各應力計算點的六個應力分量，即σix、σiy、σiz、τixy、τiyz和τixz.

設滑動面的外法線方向余弦分別為l，m，n.根據(jù)彈性力學的有關原理，各應力計算點所代表結構面的應力分量pix、piy和piz為：

(3)

則各應力計算點所代表結構面上的法向壓應力σi為：

σi=l·pix+m·piy+n·piz

將上式展開可得:

σi=l2σix+m2σiy+n2σiz+
2lmτixy+2mnτiyz+2nlτizx

(4)

可得各應力計算點所代表結構面上的切應力τi為：

(5)

將各點的σi和τi代入公式(1)和式(2)中，就可以求得可能滑動結構面各計算點的點抗滑安全系數(shù)Kp和結構面的面抗滑安全系數(shù)Kf.

2 計算成果分析

針對設置傳力洞處理和未設置傳力洞處理兩種情況，分別建立拱壩和地基的整體分析三維有限元模型，對未布置傳力洞和布置了不同截面?zhèn)髁Χ吹耐换衙娴狞c、面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)進行分析計算.設置傳力洞后滑裂面各點抗滑安全系數(shù)與未設置傳力洞的滑面點抗滑安全系數(shù)比較(見圖4～圖8)，表中橫坐標表示滑面上各計算點，縱坐標表示各點的抗滑安全系數(shù).

不同半徑傳力洞情況下滑面的面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)(見表1).

圖4 傳力洞半徑R=1.0 m

圖5 傳力洞半徑R=1.5 m

圖6 傳力洞半徑R=2.0 m

圖7 傳力洞半徑R=2.5 m

圖8 傳力洞半徑R=3.0 m

表1 不同半徑傳力洞情況下滑裂面的面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表

傳力洞半徑/m無傳力洞1．01．52．02．53．0面安全系數(shù)0．7150．8550．9320．9140．8090．752安全系數(shù)增幅/%/19．5829．0927．8313．155．17

根據(jù)有限元計算結果可見，設置了傳力洞后，一般情況下滑裂面的抗滑安全系數(shù)是提高的，但傳力洞的半徑不同，其對滑裂面增穩(wěn)的幅度不同，而且增穩(wěn)幅度并不一定隨著傳力洞半徑增大而單調遞增.

根據(jù)抗滑安全計算公式(1)和(2)，影響安全系數(shù)的指標主要是滑裂面上的正應力σi和剪應力τi，設置了傳力洞以后，拱壩傳至壩肩的推力，部分由傳力洞承擔，傳至滑面之后的堅固巖體，因此在傳力洞影響范圍內，滑裂面上的正應力分量和剪應力分量是同時減少的.當改變傳力洞的半徑后，傳力洞剛度相應改變，其承擔的壩肩推力也改變.當傳力洞的剛度太大時，壩肩推力大部分由傳力洞承擔，又由于特定的傳力洞方向，導致滑面上的正應力很小，就會出現(xiàn)傳力洞半徑增大而滑面抗滑安全系數(shù)不隨之增大的情況.這一點從圖4～圖8中滑裂面在傳力洞附近點(3～7號點)的抗滑安全系數(shù)變化規(guī)律也可以看出，當傳力洞半徑達到3.0 m時，這幾個點的安全系數(shù)反而降低.

3 結 論

傳力洞對處理拱壩軟弱破碎帶基礎具有較好的效果，實際工程中應用也很普遍.本文分析了不同半徑傳力洞對特定滑裂面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的影響.結果表明，傳力洞的設置對軟弱破碎帶內的特定滑裂面抗滑安全通常是有利的，但當傳力洞半徑設置不當時，也有可能反而不利于滑裂面的抗滑穩(wěn)定，這一點在實際工程的設計中應該引起重視.

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Effect of Concrete Plug Section on Abutment Stability of Arch Dam

WU Dang-zhong1, WANG Mao-rong2
(1.Zhejiang Zhongshui Engineering Technology Co., Ltd, Hangzhou 310020, China; 2.Zhejiang College of Construction, Hangzhou 311321, China)

Concrete plug has a good effect on the treatment of soft fracture zone of arch dams, and it is also widely used in practical engineering. The three-dimensional finite element model of arch dam and its foundation is modeled, and the influence of concrete plugs with different semidiameter on anti-sliding stability of specific sliding surface in soft foundation is also analyzed. The results show that the setting of concrete plugs is often beneficial to the specific sliding surface in soft fracture zone, but when the semidiameter of the concrete plugs is not suitable, there may be disadvantageous to sliding stability, as an added note.

dam foundation treatment; concrete plug; fault fracture zone; limited element

2016-09-26

吳黨中(1978-)，男，江西東鄉(xiāng)人，博士，高級工程師，主要從事水電站設計和水工建筑物加固工作.

TV642.4

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1008-536X(2017)02-0029-04